1  引言
       FRP具有高強、輕質、耐腐蝕的優點，是建造大跨度結構的理想材料。從上個世紀70年代開始，就有研究人員開始嘗試用FRP建造大跨度的橋梁，并進行了一些工程嘗試[1]。林同炎公司的直布羅陀海峽大橋設計方案中就有采用CFRP的構想[2]，日本也有學者設想用FRP，建造跨度達5000m的懸索橋梁[3]。在建筑結構中，也有采用FRP建成的網架[4]、折板[5]和殼體[1]等空間結構的工程實例，跨度達到幾十米，例如上海東方明珠電視塔的首層大堂的60m跨FRP雙曲屋蓋。但FRP與鋼材、混凝土等材料的受力性能不同，通常為各向異性，順纖維方向的強度和彈性模量遠遠高于橫纖維方向，并且受拉優于受壓，因此這些建筑結構形式并不適合于FRP材料的特點，不能使FRP材料得到充分的利用。
      FRP編織網結構則是針對FRP材料特點提出的一種大跨度屋面結構體系：用高強度FRP板條按照一定規律在平面內相互交叉布置，同時在交點處上下交錯形成編織網；編織網的邊緣錨固在內外環梁上，通過對板條施加初始預應力，形成一個預張緊的編織網平面；再利用內環自重或預應力等方法整體張拉編織網，使板條達到預定的拉力后固定，網面因張緊而具有剛度，從而可以承受各種使用荷載。圖l為一個簡單FRP編織網結構縮比實體模型和實際結構的計算模型，實際的結構中板條排布比實體模型中的要密。

       編織網結構與現有的懸索結構、索網結構和張拉膜結構在受力原理上類似，都是通過張拉使柔性構件（索、膜和板條）具有幾何剛度，從而可承受荷載。但由于編織網結構采用了新型結構材料（FRP板條）和新型的構建方法（編織），因此具其獨特的構造特征。FRP編織網結構具有以下優勢：（1)FRP編織網自重小，理論上可實現比現有各種結構形式更大的跨度；(2) CFRP板條的重量輕、施工簡單，對溫度不敏感；(3)張拉結構能充分利用FRP材料的抗拉能力，使其高強輕質的優點得到發揮，降低了其各向異性、層間強度低、剪切強度低等不足的影響；（4）CFRP板條的耐久性好，維護方便；（5) FRP板條的編織排布具有規律性，視覺上有很強的幾何效果，可以獲得獨特的建筑外觀效果。
2   FRP編織網結構的組成
2.1  FRP板條
       最簡單的FRP編織網結構如圖1所示，由單層的FRP編織網、內外錨固環和面外張拉裝置3個部分組成。其中FRP板條是編織網結構的主要構件，一般采用CFRP，也可采用碳纖維與其它高性能纖維混雜的FRP板條。CFRP板條是由碳纖維與樹脂基體經過拉擠或層壓工藝生產，纖維體積含量在60%以上，縱向彈性模量一般在160MPa以上，縱向抗拉強度在2400MPa以上，縱向線膨脹系數約為0.2 x 10-6常見的FRP板條產品的厚度為1 - 2mm,可以按一定的半徑彎曲，這種板條在結構加固中已經得到了較多的應用[1]。FRP板條的斷面形狀、尺寸甚至力學性能都可以根據工程的需要進行設計，并可在樹脂摻人色漿形成永久的色彩，獲得一定的建筑效果。采用拉擠工藝連續生產FRP板條，可得到任意長度，避免了接長。
       表1為國內外2個廠商分別提供的兩種CFRP板條產品的性能參數。根據表中數據計算可得：單根CFRP板條的平均抗拉能力可以達400kN以上，300m長的單根CFRP板條的重量還不到80kg；具有同樣的抗拉能力的300m長的高強度鋼索（強度1860）的重量則為5OOkg以上。用有限元軟件進行非線性分析，如果分別將它們兩端固定后自由下垂，僅在自重作用下鋼索的最大變形就達到5.3m，端部錨固力為35.5kN；而CFRP板條的最大變形為3.0m,端部錨固力僅為9.7kN。

2.2  編織網
       將FRP板條按照一定的規律在平面內相互交叉布置，同時在交點處上下交錯就形成了編織網。實際的FRP編織網，不僅可以按照90°交角兩兩相交，還可以按照一定的規律以任意角度交錯編織，而且在一點上可以多條FRP板條相交，例如：3根互成60°的相交，4根互成45°的相交。對于交角為θ的兩根板條，它們在交點處的接觸面積為

                           （1）

其中Ws為板條的寬度。

在交點上，FRP板條之間可以通過卡具或粘接完全固接；也可以不固定而利用FRP板條張緊相互擠壓形成摩擦力，其作用是：在靜載下為靜摩擦，使FRP網形成整體；在動載下滑動，板條間相互摩擦耗能，增加結構阻尼，減小結構的振動響應。也可以在交點處安裝特制的阻尼器，增大整體結構的阻尼。但在交點處，由于FRP板條相互接觸，有彎曲和局部剪切，會導致其有效強度略有降低。
2.3  端部錨固
        編織好的FRP板條兩端分別錨固在內外環梁上，并施加一定的初始預應力。FRP板條通過夾具錨固在環梁上，夾具與環梁之間為鉸接，使FRP板條僅受軸拉。外環一般可以用混凝土制成，主要受壓力；內環可以用鋼結構，主要受拉；錨具是實現結構整體張拉的關鍵部件。目前針對加固混凝土結構已經有很多能預應力CFRP板條的錨固方法和措施[6-8]，可為編織網FRP板條的端部錨固提供參考。圖2為本文建議的一種錨具的模型圖。它由不銹鋼板板制成，從而與CFRP具有同樣的耐腐蝕能力。通過螺栓夾緊CFRP板，并進行粘接。CFRP板與鋼板之間加人短纖維的氈層，從而提高界面枯結性能。

3  FRP編織網結構的原理
       FRP編織網結構的核心概念是使用高強輕質的FRP板條，通過上下交錯編織形成整體，再通過合適的預應力張拉方式使FRP編織網張緊形成足夠剛度，使其能夠承受荷載。因此，合理的板條編織方式以及合適的張拉力施加方法是FRP編織網結構的關鍵。
        FRP網編織形成平面，通過內環自重和懸掛配重或用網面外預應力拉索給網面一個垂直向外的力，使網面張緊具有剛度。由于網面原來處于基本水平狀態，根據力的分解（如圖3所示），較小的垂直力P就能使網面內具有較大的張緊力T,從而使整個FRP編織網張緊。網面張緊力大小可由內環配重及網面外預應力索張拉控制。此外，錨固前各FRP板條的需進行預張拉。目的是通過各板條的預張緊使網面的初始狀態平整，且在施加面外張拉前就具有一定的幾何剛度，間接控制最終的最大變形；還能調整編織網內各板條最終的張拉力的大小，使它們受力均衡。
4  受力分析
       FRP編織網結構有三個基本受力狀態：預張完成狀態、體系張拉成形狀態和承受荷載狀態。預張完成狀態是在編織錨固前對各板條進行面內的預張拉，使編織網平整，同時也保證最終張拉成形時各板條受力均勻，并減少總的面外變形。體系張拉成型狀態是指通過施加面外力使FRP編織網張緊，使編織網具有足夠的剛度。此時的張拉力和板條的應力水平是整個編織網設計中的關鍵問題。張拉成型后，FRP編織網結構還要承受屋面自重荷載、雪荷載等靜荷載以及風荷載、地震荷載等動力荷載。在各種荷載組合下，應保證結構中FRP板條的應力和結構的變形均在允許范圍內。

      如果忽略板條間的相互作用，編織網中的每條FRP板條主要受拉力作用。在簡單編織網中一對成180度的板條可簡化為端部分別固定在外環梁和內環梁的兩個板條，如圖4所示。外環梁可認為是一固定點，而內環梁則可視為一個剛體。設板條截面積為A，彈性模量為E，內外環梁半徑差為L,FRP板條的自重和彎曲剛度較小，可忽略。在圖4(a)的狀態下，板條端部作用一水平初始預張力H。 則有

                       （2）

其中板條應變為ε。，板條初始長度為Lo。
    圖4（b）所示的第二狀態，內環梁上作用兩垂直荷載V,使內環梁下移、板條受拉。板條張力為T1，T1的水平分量為H1，內環梁的位移為△。根據平衡條件，有：

                                     （3）

此時板條應變為ε1，則：

（4）

由幾何條件有：

                                                    （5）

綜合以上方程，可解出T1，△1，ε1。
    圖4(c)所示的狀態下，板條需承受關于內環梁中心對稱的荷載q(X)固定端的反力可以分解為水平向的H2和豎直向的R，則豎直反力：

                       （6）

坐標X處的點相對于固定端的變形定義為Z(X)，內環梁的總位移為△2。結構的變形滿足索方程：

                               （7）

若q(X)為均布荷載，可得變形曲線為：

                  （8）

則有：                                       （9）
由變形協調，這個狀態相對上個狀態板條的總長度改變為：

      （10）

但由應變得出伸長量為

     （11）

聯立方程可解出H2和△2。此時FRP板條中的最大應力為

                                  （12）

       通常FRP板條的自重相對于結構上的荷載較小，而一般結構上的均布荷載傳遞到板條上就不再是均布力了，例如圓形平面的結構其板條上荷載近似為梯形分布，可表示為

                                  （13）

q1最外端的荷載值，q2為最內端的荷載值，這時式(8)變為

    （14）

垂直反力為

                                        （15）

這樣聯立方程，同樣可求得各階段的變形和內力。
5  算例分析
      如圖1所示的單層編織網結構，如跨度L＝80m，采用表1中產品2板條。根據上面的公式進行計算。在初張拉階段，板條按控制應力為500MPa施加預應力，這時ε。=0.0024，Lo＝79.81m; Ho＝84kN;在張拉成型階段，施加一個面外力V＝30kN,內環梁向下平動，計算可得△1＝7.14m,ε1＝0.0064，H1＝225.3kN,板條中應力為1344MPa;最后，在板條上施加均布荷載q＝0.5kN/m，計算可得△2＝10.27m, H2＝389.5kN,板條中最大應力為2352MPa。
       可以看出，單層編織網結構的張拉成型以及受荷時發生的變形較大，分析可知，改變初始預張拉Ho，豎直張力V可以達到控制結構最最終變形的目的。如采用雙層FRP編織網結構及折頂FRP編織網結構，結構的剛度要比單層結構的剛度要大，可以減少變形量。
6  結語
       FRP編織網結構是一種適合FRP材料的結構形式，它能充分發揮出FRP材料的優勢同時避免其劣勢。FRP材料輕質高強，但FRP板條只有縱向受拉的強度高，而抗剪、抗壓以及橫向的抗拉強度均較低，因此只有使FRP板條盡可能單向受拉才能充分發揮優勢。在編織網中，各板條主要受到就是單向的拉力，FRP板條特點得到了充分的發揮。
       FRP編織網結構具有很強的可設計性。首先，板條的力學性能可以進行設計，可以采用不同種類的纖維和鋪層方式，對板條的強度、模量及延伸率在一定范圍內的調整；其次，FRP板條在布置方式上有很大的設計空間，可以根據實際建筑物的形狀和受力特點，在受力較大的部位可以多布置板條，受力小的部位可以少布置板條；另外，FRP編織網交點處的處理可以根據設計要求選擇不同的方案，達到預期的效果。
       從材料角度上看，FRP材料，尤其是CFRP，具有耐腐蝕的優點。目前許多大跨度斜拉橋的橋索腐蝕問題嚴重，很多學者都在研究用CFRP索替換鋼索[1]。對于大跨度建筑結構同樣存在鋼材腐蝕的問題。在FRP編織網結構中，FRP板條可以很好的抵御化學侵蝕，從而減少維護費用。另外，CFRP材料在受力方向上的線膨脹系數小，不會在超大跨結構中因為溫度變化產生較大的變形差，也不會因為溫差而造成較大內應力。
       本文提出的FRP編織網結構的基本組成包括:FRP編織網、內外錨固環和面外張拉裝置3個部分；通過分析有三個主要受力狀態為：編織預張完成狀態、張拉成形狀態和受待狀態，并對單層細織網進行簡化得到了受力分析模型，通過算例分析可知，FRP編制網可以實現。
       FRP編織網結構是一種適合于超大跨度的建筑屋面結構體系，但距離實際應用還需要從分析理論到設計方法以及施工技術進行更為深入的研究和探討。